• No results found

Design Strategies for Tissue Engineering Scaffolds

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "Design Strategies for Tissue Engineering Scaffolds"

Copied!
208
0
0

Bezig met laden.... (Bekijk nu de volledige tekst)

Hele tekst

(1)
(2)

Technology (BMTi)   

 

Committee members 

Prof. dr.‐ing. M. Wessling  promotor  University of Twente 

Dr. D. Stamatialis    assistant promotor  University of Twente 

Prof. dr. K. Boller  chairman  University of Twente 

Prof. dr. C.A. van Blitterswijk    University of Twente  Prof. dr. D.W. Grijpma    University of Twente,   University of Groningen  Prof. D. Kaplan    Tufts University, USA  Prof. A. Boccaccini    Imperial College London, UK  Prof. dr. R.A Bank    University Medical Center Groningen                            © 2009 Bernke Papenburg, Enschede, The Netherlands  All rights reserved    Design Strategies for Tissue Engineering Scaffolds  Bernke Papenburg  PhD thesis, University of Twente, The Netherlands  ISBN: 978‐94‐9012‐239‐3  Printed by: Gildeprint Drukkerijen, Enschede, The Netherlands    Cover design by Bernke Papenburg  The cover shows a fluorescence microscopy image of pre‐myoblast cells organized on a poly(L‐lactic  acid)  scaffold  featuring  pillars;  green  indicates  the  cytoskeleton  of  the  cells  whereas  the  nuclei  are  labeled blue 

(3)

DESIGN STRATEGIES FOR TISSUE ENGINEERING SCAFFOLDS 

     

PROEFSCHRIFT 

 

 

 

ter verkrijging van   de graad van doctor aan de Universiteit Twente,   op gezag van de rector magnificus,   prof. dr. H. Brinksma   volgens besluit van het College voor Promoties   in het openbaar te verdedigen   op vrijdag 19 juni 2009 om 13.15 uur          door          Berendien Jacoba Papenburg    Geboren op 22 juli 1981  te Dedemsvaart 

(4)

Promotor:  Prof. Dr.‐Ing. M. Wessling    en Assistent promotor:   Dr. D. Stamatialis           

(5)

Voor mijn oma, Berendina Hartkamp,   die dit proefschrift nog zo graag zelf had ingezien                                                      “Dancing in all its forms cannot be excluded from the curriculum of all   noble education; dancing with the feet, with ideas, with words, and,   need I add that one must also be able to dance with the pen?”  Friedrich Nietzsche 

(6)

 

Chapter 1 General Introduction 

 1 

1.1  Tissue engineering   1  1.2  Tissue engineering in the clinic   3  1.3  Scope and outline of the thesis   4  1.3.1  Scope of the project at large   4  1.3.2  Scope thesis   4  1.4  Outline thesis   8    References   10       

Chapter 2 Scaffolds for Tissue Engineering 

 11 

2.1  Requirements scaffold   11  2.2  Materials   12  2.2.1  Common biomaterials   12  2.2.2  Poly(lactic acid)   13  2.2.3  Poly(ε‐caprolactone)   14  2.2.4  Poly(tri‐methylene carbonate)   14  2.2.5  Poly(ethylene oxide)/poly(butylene terephtalate)   15  2.2.6  Poly(dimethyl siloxane)   15  2.3  Fabrication methods   16  2.3.1  Emulsion freeze‐drying   16  2.3.2  Foaming   16  2.3.3  Particle leaching   17  2.3.4  Electrospinning   17  2.3.5  Sintering   18  2.3.6  Polymer casting and phase separation   18  2.4  Scaffold design   20    References   21   

(7)

 

to Control Cell Behavior 

 27 

3.1  Introduction   28  3.2  Background phase separation micromolding (PSµM)   30  3.3  Materials and Methods   31  3.3.1  Micropatterned porous scaffold preparation   31  3.3.2  Porosity and pore morphology determination   32  3.3.3  Nutrient transport   33  3.3.4  Cell culturing   34  3.3.5  3‐D scaffolds proof‐of‐principle   36  3.4  Results and Discussion   37  3.4.1  Micropatterned sheet preparation   37  3.4.2  Porosity and pore morphology determination   37  3.4.3  Nutrient transport   40  3.4.4  Cell culturing   42  3.4.5  3‐D scaffolds proof‐of‐principle   47  3.5  Conclusions   48    References   49 

 

   

Chapter 4 A Facile Method to Fabricate Poly(L‐lactide) Nano‐fibrous  

 

Morphologies by Phase Inversion 

 51 

4.1  Introduction   52  4.2  Materials and Methods   53  4.2.1  PLLA synthesis and characterization   53  4.2.2  Scaffold preparation and characterization   53  4.2.3  Cell culturing and analysis   54  4.3  Results and Discussion   56  4.3.1  PLLA synthesis and characterization   56  4.3.2  Scaffold preparation   56  4.3.3  Scaffold characterization   57  4.3.4  Cell culture and analysis   62  4.4  Conclusions   65    References   66 

(8)

 

Poly(1,3‐trimethylene carbonate) Scaffolds 

 69 

5.1  Introduction   70  5.2  Materials and Methods   71  5.2.1  PTMC synthesis and characterization   71  5.2.2  Scaffold preparation   72  5.2.3  PEO content   74  5.2.4  Porosity and pore morphology   74  5.2.5  Sheet morphology under physiological conditions   75  5.2.6  Cell culturing   75  5.2.7  Cell culture analysis   75  5.3  Results and Discussion   77  5.3.1  PTMC synthesis and characterization   77  5.3.2  PTMC scaffold preparation   77  5.3.3  Porosity and pore morphology   79  5.3.4  Sheet morphology under physiological conditions   82  5.3.5  Cell morphology   84  5.3.6  Cell proliferation   85  5.4  Conclusions   92    References   93 

 

   

Chapter 6 Cell Behavior as Function of Contact Angle and Surface 

 

Topography 

 95 

6.1  Introduction   96  6.2  Materials and Methods   98  6.2.1  Topography design   98  6.2.2  Micropatterned scaffold sheet preparation and characterization   98  6.2.3  Cell culturing and analysis   100  6.3  Results and Discussion   101  6.3.1  Micropatterned scaffold sheet preparation   101  6.3.2  Contact angle ‐ wettability   103  6.3.3  Protein adsorption   106  6.3.4  Cell attachment and proliferation   108  6.3.5  Cell morphology   111  6.4  Conclusions   117    References   118   

(9)

 

Interactions 

 123 

7.1  Introduction   124  7.2  Concept   125  7.2.1  Paradigm   125  7.2.2  Design   127  7.3  Materials and Methods   128  7.3.1  Mask design and mold fabrication   128  7.3.2  TopoChip fabrication   128  7.3.3  TopoChip seeding and culturing   129  7.4  Results and Discussion   130  7.4.1  TopoChip fabrication   130  7.4.2  Uniform seeding   132  7.4.3  Cell‐material interactions   134  7.5  Conclusions   136    References   137       

Chapter 8 Understanding Nutrient Supply through Multi‐Layer  

 

Scaffolds 

 139 

8.1  Introduction   140  8.2  Model   143  8.2.1  Concept   143  8.3  Materials and Methods   144  8.3.1  Scaffold sheets preparation   144  8.3.2  Porosity and pore morphology determination   144  8.3.3  Cell culturing   145  8.4  Results and Discussion   148  8.4.1  Scaffold sheets characterization   148  8.4.2  Nutrient transport limitations   149  8.4.3  Static culture conditions: multi‐layer WS scaffolds   150  8.4.4  Static culture conditions: multi‐layer TS scaffolds   154  8.4.5  Model results and validation   157  8.4.6  Dynamic culture conditions   160  8.5  Conclusions   165  References   166   

Appendix to Chapter 8     Model description 

 169 

 

(10)

9.1  Scaffold design at large   177  9.2  Scaffold design in this thesis   178  9.2.1  General discussion   178  9.2.2  General conclusions   179  9.3  Future directions   180  9.3.1  Materials properties: reinforcements   180  9.3.2  Surface characteristics: layer‐by‐layer architecture   181  9.3.3  3D‐architecture: nutrient supply in‐vivo style   181    References   184     

Summary   

 185 

 

Nederlandse Samenvatting 

 188 

 

Acknowledgments ‐ Dankwoord 

 192 

 

Cirruculum Vitae ‐ List of Publications 

 195

 

 

(11)

1.1 Tissue engineering 

The  replacement  of  organs  since  long  has  been  the  subject  of  debate,  however,  the  field  of  engineering tissue in vitro to repair damaged tissue in vivo originated only about two decades ago [1,  2].  In  fact,  tissue  engineering  (TE)  originates  from  reconstructive  surgery  where  direct  transplantation  of  (allogenic)  donor  tissue  is  practiced  to  repair  the  function  of  damaged  tissue.  Many  difficulties  arise  with  direct  transplantation  due  to  insufficient  donor  organs,  pathogen  transmission and rejection of the donor organ [3‐5]. As a result, patients can be waiting for a donor  organ  for  years,  and  when  they  receive  one  in  time,  they  need  to  take  immunosuppressive  medication for the rest of their lives and risk the need of a replacement organ within days to years  after  the  surgery.  An  autogenic  tissue  engineering  transplant  (using  patient’s  own  cells)  would  address  most  limitations  of  direct  transplantation  and  avoid  difficulties  concerning  rejection  and  pathogen  transmission.  Additionally,  there  would  be  no  dependency  on  donors.  Therefore,  constructing a tissue engineered replacement in vitro is considered an excellent alternative to direct  transplantation of donor organs [1, 3‐5]. 

TE is defined as the interdisciplinary field applying the principles and methods of engineering and life  sciences  to  fundamentally  understand  and  develop  biological  substitutes  to  restore,  maintain  or  improve tissue functions [1]. In basis, TE attempts to mimic the function of natural tissue. Therefore,  to  optimize  the  development  of  functional  biological  substitutes,  the  natural  circumstances  of  the  specific  tissue  have  to  be  fundamentally  understood.  Biological  tissues  basically  consist  of  cells,  signaling systems  and  extracellular  matrix  (ECM)  [4].  The  cells  are  the core  of  the tissue,  however,  can not function in the absence of signaling systems and/or of the ECM. The signaling system consists  of genes that secrete transcriptional products when differentially activated, and urges cues for tissue  formation  and  differentiation  [4].  The  ECM  is  a  meshwork‐like  substance  within  the  extracellular  space and supports cell attachment and promotes cell proliferation [6, 7].  

(12)

TE  approaches can generally be  sub‐divided based on these  3 phenomena, either studied single or  combined [1, 3]:  - cell‐based therapies  - induction of tissue‐formation by soluble signaling factors  - and/or biocompatible support by an artificial ECM (scaffold)      Figure 1   Schematic illustration of the tissue engineering principle.     

Figure  1  illustrates  the  basic  principle  of  the  general  TE  approach  based  on  the  introduction  of  a  scaffold.  Cells  are  isolated  from  either  the  patient  (autogenic)  or  from  a  donor  (allogenic).  After  isolation, the  cells  are  cultured in  vitro  and  subsequently introduced  to a  scaffold. Finally,  the cell‐ cultured scaffold is implanted in vivo into the patient. Many aspects in this process add to the final  suitability  and  functionality  of  the  tissue  engineered  construct.  Isolation  of  the  cells  and  in  vitro  culturing requires optimal processing and environmental conditions, e.g. pH, temperature, medium  composition.  Each  type  of  tissue  requires  distinct  conditions  and  therefore,  demands  the  understanding of the specific natural biological environment in vivo to allow optimization of culturing  in  vitro.  Supplementing  tissue‐inducing  soluble  factors  can  be  combined  within  the  scaffold‐based  approach  to  guide  cell  behavior  by  triggering  specific  reactions  through  pathway  activation  [8‐10].  Another  approach  to  guide  cell  behavior  lies  within  the  architectural  design  of  the  scaffold.  The  scaffold  should  allow  tissue  formation  in  3D  by  good  support  of  cell  attachment,  proliferation  and  organization, as well as enabling sufficient nutrient supply to the cells and waste elimination from the  cells  [6,  11,  12].  Design  of  well‐functioning  tissue  engineered  constructs  requires  optimization  of  these aspects for the specific application.  

(13)

Ch ap te 1  

1.2 Tissue engineering in the clinic 

A  well‐known  example  of  tissue  engineering  is  the  ‘mouse  with  the  human  ear’  [13].  This  study  describes seeding of chondrocytes isolated from bovine articular cartilage on a polymer (polyglycolic  acid‐polylactic  acid)  scaffold  in  the  form  of  a  human  ear,  and  subsequent  transplantation  of  the  construct  subcutaneous  in  a  nude  mouse.  Even  though  the  scaffold  had  the  form  of  a  human  ear,  actually  no  human  material  was  involved;  this  study  attempted  to  demonstrate  growth  of  new  cartilage in a specific form to be used in plastic or reconstructive surgery. And they did, new cartilage  formed within 12 weeks post‐implantation.  

With  respect  to  human  application,  successful  clinical  trials  of  tissue  engineering  constructs  have  been  reported  in  literature.  Nowadays,  major  areas  of  tissue‐engineered  replacements  in  clinical  trials and applications are skin, cardiovascular, bone and cartilage [5, 7, 14‐16]. One example is the  work performed by Matsumura et al. [17] who reported application of tissue‐engineered autografts  in  cardiovascular  surgery  on  children  with  various  complex  heart  diseases.  They  applied  a  tissue  engineering  technique  where  patients  own  (autogenic)  cells  were  isolated,  cultured  and  subsequently  seeded  on  a  biodegradable  polymer  scaffold  of  poly(glycolic  acid)  combined  with  poly(lactic  acid‐ε‐caprolactone).  The  first  operation  was  performed  in  May  1999,  and  over  40  patients were treated the following years. Post‐operative analysis revealed no complications related  to the tissue engineering autograft. 

Another  recent  example  is  the  design  and  implantation  of  a  tissue‐engineered  airway  [18].  In  this  case, the researchers first removed all donor cell and antigens of an allogenic donor trachea (wind‐ pipe) to prevent an immune reaction of the host towards the donor material. Subsequently, they re‐ cultured the matrix with autogenic cells and transplanted the cell‐seeded scaffold into the patient’s  main bronchus. Immediately, the tissue engineered trachea became functional and after 4 months,  the scaffold still showed normal appearance and good mechanical properties.    

(14)

1.3 Scope and outline of the thesis 

1.3.1 Scope of the project at large 

Within  the  definition  of  tissue  engineering  lays  the  need  of  an  interdisciplinary  approach  and  therewith,  the  collaboration  of  experts  of  all  participating  disciplines.  To  facilitate  collaboration  within  the  interdisciplinary  fields  combined  in  (bio)medical  research  at  large,  the  University  of  Twente initiated the Institute of Biomedical Engineering (BMTi). The work presented in this thesis is  performed  within  the  spearhead  program  of  the  BMTi  ‘Advanced  Polymeric  Microstructures  for  Tissue Engineering’. This project aimed at strengthening the collaboration between the departments  of  Membrane  Science  and  Technology  (MST),  Polymer  Chemistry  &  Biomaterials  (PBM)  and  Biophysical Engineering (BPE). With this in mind, several collaborations between these departments  followed resulting in a number of papers presenting work of the combined disciplines. Additionally,  good  collaboration  was  initiated  with  the  another  member  of  BMTi,  the  department  of  Tissue  Regeneration  (TR),  and  all  experiments  involving  cell  culturing  described  in  this  thesis  were  performed in collaboration with TR.  

 

1.3.2 Scope thesis 

This thesis focuses on various aspects involved in scaffold design and the interaction of scaffolds with  the  cells.  The  ultimate  goal  is  to  design  a  scaffold  that  supports  functional  tissue  formation,  resembling in vivo tissue organization, combined with good nutrient supply to the cells. Our concept  to  reach  this  goal  is  based  on  3D  multi‐layer  scaffolds  consisting  of  porous  micropatterned  sheets.  Figure  2  illustrates  this  concept,  where  cells  grow  within  micropatterned  channels  giving  a  clear  direction  to  the  cells  inducing  cell  organization  (Figure  2a).  Subsequent  stacking  of  these  micropatterned  porous  sheets  (Figure  2b)  results  in  a  3D  scaffold  where  the  microchannels  also  provide  space  allowing  perfusion  of  nutrients  throughout  the  complete  scaffold  [19].  Additionally,  the  porosity  of  the  single  layers  enables  diffusion  of  nutrients  and  signalling  factors  between  the  layers. 

(15)

Ch ap te 1     Figure 2   Schematic illustration of the 3D multi‐layer scaffold concept.       To produce functional scaffolds based on this concept, many parameters need to be understood and  optimized regarding the role of scaffold design in the cell‐scaffold interaction at various levels. The  work described in this thesis aims at acquiring insight into the role of a number of these aspects and  how those affect cell‐material interaction. At large, scaffold design aspects can be divided into three  main  classes:  material  properties,  surface  characteristics  and  3D  architecture.  These  three  main  classes are again subdivided into many sub‐categories, as schematically represented in Figure 3.    

This thesis aims to fill in which topics make up the sub‐categories within scaffold design and which  parameters are involved when addressing these topics. 

(16)

  Figure 3   Data tree representing the main scaffold design classes.    

 

Nonetheless, this thesis cannot address all sub‐categories within the large scaffold design framework,  hence;  a  selection  of  topics  is  evaluated  regarding  the  main  design  concept  of  a  multi‐layer  3D  scaffold incorporating porosity as well as topography. Certain topics within this concept at large are  studied in more detail, amongst which material processing, scaffold‐cell interaction regarding surface  topography  and  nutrient  supply  through  this  multi‐layer  scaffold.  Figure  4  schematically  illustrates  these  topics  studied  in  more  detail  and  how  these  topics  mutually  interact,  in  order  to  obtain  the  final  goal.  In  fact  each  topic,  originating  from  the  either  the  engineering,  life  sciences  or  the  interdisciplinary field in between, has to be studied properly to successfully convert a scaffold from  material into part of a TE construct. 

   

 

Figure 4  Representation  of  various  topics  regarding  scaffold  design  and  their  mutual  relations,  addressed in this thesis. 

(17)

Ch ap te 1   Parameters involved within these addressed topics are e.g.:  - Material science: material nature and processing  - Scaffold architecture: surface topography design, porosity, size 

- Scaffold‐cell  interaction:  cell  attachment,  cell  proliferation,  cell  morphology  regarding  distinct  surface characteristics 

- Up‐scaling: high‐throughput screening of variables, top‐down design  - Going 3D: multi‐layer stacking methods, culturing in 3D 

- Nutrient supply: mass transport through layers, perfusion of the channels, theoretical modelling   

Even  though  this  thesis  cannot  address  each  topic  involved  within  the  large  scaffold  design  framework, this thesis aims at providing distinct strategies for functional scaffold design as part of  the development of tissue engineering constructs. 

   

(18)

1.4 Outline thesis 

Whereas  this  first  Chapter  presents  a  general  overview  of  the  tissue  engineering  field,  Chapter  2  gives a more detailed literature overview of various aspects in scaffold design. Topics discussed are  the general requirements involved in scaffold design, well‐known and frequently used biomaterials,  commonly  applied  scaffold  fabrication  methods  and  the  importance  of  surface  topography.  Additionally, these sections highlight the specific biomaterials and fabrication method adopted in the  various chapters of this thesis. 

 

The method used to fabricate the micropatterned porous scaffolds, as illustrated in Figure 2, is Phase  Separation  Micromolding  (PSµM).  Chapter  3  offers  an  overall  description  of  our  approach  and  is  related  to  the  vast  majority  of  the  topics  addressed  in  this  thesis,  i.e.  materials  science,  scaffold  architecture, scaffold‐cell interaction, going 3‐D as well as nutrient supply. This chapter is dedicated  to the application of PSµM in scaffold fabrication and how to tune the morphology of the scaffolds by  variation  in  processing  parameters.  Application  of  different  polymers  is  evaluated,  followed  by  a  more  detailed  study  of  the  most  porous  poly(L‐lactic  acid)  (PLLA)  scaffold  sheets  with  respect  to  nutrient diffusion through the inner‐porosity of the sheets. Additionally, this chapter demonstrates  pre‐myoblast cells (C2C12) alignment tuned by distinct micropatterns and finally, a proof‐of‐principle  for stacking of the micropatterned sheets into a 3D scaffold. 

Chapter 4 and Chapter 5 more specifically relate to materials science and the corresponding scaffold‐ cell interaction. Chapter 4 presents the effect of the molecular weight of PLLA on the porous sheet  morphology  during  phase  separation  processing.  Very  high  molecular  weight  PLLA  yields  a  nano‐ fibrous  morphology  in  contrast  to  a  solid‐wall  pore  morphology  generally  obtained  using  lower  molecular weight PLLA, described in Chapter 3. The nano‐fibrous sheets comprise nano‐fibers within  similar  range  to  collagen  fibers,  which  is  the  main  component  of  the  ECM.  The  suitability  of  these  nano‐fibrous PLLA scaffold sheets is evaluated regarding cell attachment and morphology. 

Chapter  5  deals  with  the  development  of  micropatterned  porous  scaffold  sheets  based  on  flexible  poly(tri‐methylene  carbonate)  (PTMC).  Poly(ethylene  oxide)  PEO  addition  to  the  casting  solution  plays an important role in the phase separation process and the obtained porous morphology, and  this role is discussed in detail. C2C12 attachment, proliferation, differentiation and organization on  the PTMC porous sheets are systematically studied. 

(19)

Ch ap te 1  

Chapter  6  and  Chapter  7  focus  on  scaffold‐cell  interaction  and  up‐scaling.  Chapter  6  presents  a  detailed  study  of  the  role  of  material  properties  and  surface  topography  on  cell  behavior.  Protein  adsorption to scaffold surfaces determines cell behavior on these surfaces, and it is thought that for  instance  wettability  of  a  surface  plays  an  important  role  in  this.  Applying  a  micropillar  array  to  a  selection  of  three  polymers  enables  altering  the  surface  wettability  of  these  polymers  without  variation in the surface chemistry. Evaluation of protein adsorption to these surfaces and correlation  to cell attachment, proliferation and cell morphology is described. 

Chapter  7  deals  with  complexity  involved  in  tissue  engineering  and  more  specific,  scaffold  design.  Proper functioning of the human body requires a full set of highly complex functions from single cell  to  complete  tissue  levels.  Translating  this  complexity  into  the  design  of  in  vitro  tissue  engineering  brings about a tremendous number of variations, and grows to virtually innumerable considered that  optimal  design  is  fully  subject  to  the  specific  application.  High‐throughput  screening  of  a  library  comprising a multitude of surface topographical variations, presented in this chapter, may give a first  indication of the most suitable surface designs for a specific TE application. 

 

The  work  in  Chapter  8  relates  to  scaffold  architecture,  going  3D  and  nutrient  supply,  herewith  following  up  on  the  work  described  in  Chapter  3  by  studying  the  development  of  3D  multi‐layer  scaffolds.  This  chapter  comprises  the  evaluation  of  nutrient  transport  throughout  the  3D  scaffold  under both static as well as dynamic conditions and the resulting effect on cell behavior. Besides, a  theoretical  model  is  designed  and  validated  to  predict  optimal  use  of  the  multi‐layer  scaffold  by  introduction of nutrient perfusion throughout the scaffold.  

 

Chapter 9 reflects back on the results of this thesis and presents an outlook on a number of topics to  be  explored  in  the  future  to  improve  and  optimize  the  3D  multi‐layer  scaffold  as  proposed  in  this  thesis. 

 

 

(20)

References 

1.  Langer R, Vacanti JP. Tissue Engineering. Science 1993;260:920‐926. 

2.  Vacanti CA. History of Tissue Engineering and A Glimpse Into Its Future. Tissue Engineering  2006;12(5):1137‐1142. 

3.  Fuchs  JR,  Nasseri  BA,  Vacanti  JP.  Tissue  engineering:  A  21st  century  solution  to  surgical  reconstruction. Annual Thorac Surgery 2001;72:577‐591. 

4.  Lanza  RP,  Langer  RS,  Vacanti  J.  Principles  of  tissue  engineering.  2nd  ed.  San  Diego,  CA  ::  Academic Press, 2000. 

5.  Saltzman  WM.  Tissue  Engineering:  principles  for  the  design  of  replacement  organs  and  tissues. 1st ed. Oxford: Oxford University Press, 2004. 

6.  Badylak  SF.  The  extracellular  matrix  as  a  biologic  scaffold  material.  Biomaterials  2007;28(25):3587‐3593. 

7.  Blitterswijk  CAv,  Thomsen  P.  Tissue  engineering.  1st  ed.  Amsterdam;  Boston:  Elsevier/Academic Press, 2008. 

8.  Baud V, Jacque E. The alternative NF‐kappa B activation pathway and cancer : friend or foe?  M S‐Med Sci 2008 Dec;24(12):1083‐1088. 

9.  Chen Y, Alman BA. Wnt Pathway, an Essential Role in Bone Regeneration. Journal of Cellular  Biochemistry 2009 Feb 15;106(3):353‐362. 

10.  Landmesser  U,  Wollert  KC,  Drexler  H.  Potential  novel  pharmacological  therapies  for  myocardial remodelling. Cardiovasc Res 2009 Feb;81(3):519‐527. 

11.  Hollister SJ. Porous scaffold design for tissue engineering. Nature Materials 2005;4:518‐524.  12.  Takezawa T. A strategy for the development of tissue engineering scaffolds that regulate cell  behavior. Biomaterials 2003;24(13):2267‐2275. 

13.  Cao  YMDPD,  Vacanti  JPMD,  Paige  KTMD,  Upton  JMD,  Vacanti  CAMD.  Transplantation  of  Chondrocytes Utilizing a Polymer‐Cell Construct to Produce Tissue‐Engineered Cartilage in the Shape  of a Human Ear. Plastic & Reconstructive Surgery 1997;100(2):297‐302. 

14.  Fong  P,  Shin'oka  T,  Lopez‐Soler  RI,  Breuer  C.  The  use  of  polymer  based  scaffolds  in  tissue‐ engineered heart valves. Progress in Pediatric Cardiology 2006;21(2):193‐199. 

15.  Jawad H, Ali NN, Lyon AR, Chen QZ, Harding SE, Boccaccini AR. Myocardial tissue engineering:  a review. Journal of Tissue Engineering and Regenerative Medicine 2007;1(5):327‐342. 

16.  Nesic  D,  Whiteside  R,  Brittberg  M,  Wendt  D,  Martin  I,  Mainil‐Varlet  P.  Cartilage  tissue  engineering for degenerative joint disease. Advanced Drug Delivery Reviews 2006;58(2):300‐322.  17.  Matsumura  G,  Hibino  N,  Ikada  Y,  Kurosawa  H,  Shin'oka  T.  Successful  application  of  tissue  engineered vascular autografts: clinical experience. Biomaterials 2003;24(13):2303‐2308. 

18.  Macchiarini  P,  Jungebluth  P,  Go  T,  Asnaghi  MA,  Rees  LE,  Cogan  TA,  et  al.  Clinical  transplantation of a tissue‐engineered airway. The Lancet 2008;372(9655):2023‐2030. 

19.  Stamatialis  DF,  Papenburg  BJ,  Gironés  M,  Saiful  S,  Bettahalli  SNM,  Schmitmeier  S,  et  al.  Medical applications of membranes: Drug delivery, artificial organs and tissue engineering. Journal of  Membrane Science 2008;308(1‐2):1‐34. 

(21)

Parts of this chapter are included within a review paper:  D.F. Stamatialis, Bernke J. Papenburg, M. Gironés, S. Saiful, S.N.M. Bettahalli, S. Schmitmeier, M. Wessling 

2.1 Requirements scaffold 

Within tissue engineering (TE), one of the major research themes is scaffold design. A scaffold is a 3‐ D  construct  that  serves  as  temporary  support  for  isolated  cells  to  grow  into  new  tissue  before  transplantation back to the host, as described in Chapter 1. The design of the scaffold determines the  functionality  of  the  construct  to  a  high  extent.  Although  the  final  requirements  depend  on  the  specific  purpose  of  the  scaffold,  several  general  characteristics  and  requirements  need  to  be  considered for all designs [1‐4]. The scaffold should be/have: 

- biocompatible;  the  scaffold  should  provoke  an  appropriate  biological  response  in  a  specific  application and prevent any adverse response of the surrounding tissue [5, 6] 

- biodegradable;  the  scaffold  materials  should  degrade  in  tandem  with  tissue  regeneration  and  remodeling of the extracellular matrix (ECM) into smaller non‐toxic substances without interfering  with the function of the surrounding tissue [7] 

- promote  cell  attachment,  spreading  and  proliferation;  vital  for  the  regulation  of  cell  growth  and  differentiation [8] 

- suitable  mechanical  strength;  its  strength  should  be  comparable  to  in  vivo  tissue  at  the  site  of  implantation  as  evidently,  a  scaffold  requires  more  flexibility  or  rigidity  depending  on  the  application in e.g. cardiovascular versus bone prostheses [9] 

- good transport properties; to ensure sufficient nutrient transport towards the cells and removal of  waste  products  the  scaffold  should  be  highly  porous  with  good  pore  connectivity,  however,  it  should maintain sufficient mechanical strength implying optimization of porosity [1, 10‐12]  - easy  to  connect  to  the  vascularization  system  of  the  host;  to  ensure  good  nutrient  supply 

throughout the scaffold post‐implantation, the scaffold should be connected to the natural nutrient  supplying system [1, 10, 13] 

- suitable  surface  characteristics;  apart  from  optimal  physiochemical  properties,  research  suggests  that  the  introduction  of  e.g.  surface  topography  into  the  scaffold  improves  tissue  organization  leading to increased tissue function [14‐17] 

(22)

2.2 Materials 

2.2.1 Common biomaterials 

Due  to  the  variation  in  mechanical  properties  required  in  ‘soft’  versus  ‘hard’  TE  applications,  the  constructs  for  these  two  sub‐categories  generally  use  different  classes  of  biomaterials.  For  soft  TE  applications, e.g. skeletal muscle or cardiovascular substitutes, generally a wide variety of polymers  are applied. On the other hand, hard tissue replacements, e.g. bone substitutes, are generally based  on  more  rigid  polymers,  ceramics  and  metals.  Frequently  used  biomaterials  originate  from  a  wide  range  of  natural  as  well  as  synthetic  sources.  It  is  beyond  the  scope  of  this  chapter  to  discuss  all  sources in detail. This section only describes a selection of widely used materials and focuses more  on the materials used in this thesis. For in‐depth information on other frequently used materials for  scaffold fabrication, excellent reviews are available [10, 11, 18‐20]. Table 1 lists polymers extensively  applied in scaffold fabrication for ‘soft’ TE applications. Apart from single polymers, scaffolds are also  commonly fabricated from co‐polymers of two or more polymers (not listed) to improve the overall  characteristics;  co‐polymers  generally  have  an  average  of  the  mechanical  properties  of  the  incorporated single polymers.     Table 1    Materials frequently applied in soft TE applications.  Origin  Polymer (family)  Collagen       component of the extra cellular matrix ‐ ECM  Fibrin  Gelatin  Poly(hydroxybutyrate)  Natural  Polysaccharides       most common are hyaluronic acid, chitosan, starch and alginates  Poly(esters)       most common are poly (α‐hydroxy acids):       poly(lactic acid) (PLA) and poly(glycolic acid) (PGA)  Poly(ε‐caprolactones)  Poly(propylene fumarates)  Poly(anhydrides)  Synthetic  Poly(orthoesters)      Scaffold fabrication for hard TE applications employs a wider variety of classes of materials; including  polymers, ceramics, composites and metals. Table 2 presents materials extensively used in hard TE,  besides  the  polymers  already  listed  in  Table  1.  Often,  polymers  alone  might  not  have  sufficient  mechanical  strength,  which  can  be  improved  by  adding  reinforcements  resulting  in  composites.  Herewith, combining two or more classes of materials improves the mechanical properties, similar to  the principle behind co‐polymer.  

(23)

Ch ap te 2   Table 2    Materials frequently applied in hard TE applications.  Class of material  Type  Hydroxyapatite        most common since it is the inorganic component of natural bone  Tricalcium phosphate  Crystalline ceramics  Calcium metaphosphate  Silica  Amorphous glasses  Bio‐glass  Hydroxyapatite / poly(ε‐caprolactone), chitosan, and/or collagen  Titanium/calcium phosphate, polyvinyl alcohol, and/or boron  Composites  Poly(lactic acid)/ tricalcium phosphate, silica, and/or ceramic  Stainless steel  Titanium  Metals  Alumina    2.2.2 Poly(lactic acid) 

In  this  thesis,  we  primarily  use  one  of  the  most  common  and  well‐known  biomaterials:  poly(lactic  acid) (PLA). PLA belongs to the polyester family, as is the case for the vast majority of biodegradable  polymers. PLA exists in different isomeric forms, namely semi‐crystalline D(‐) (PDLA), semi‐crystalline  L(+) (PLLA) and amorphous racemic D,L (PDLLA) [21, 22].       Figure 1   Molecular structure of PLA.   

PLA  degrades  by  bulk  hydrolysis  and  leads  to  the  production  of  lactic  acid.  In  case  of  PLLA,  degradation  results  in  L(+)  lactic  acid,  a  substance  that  exists  in  the  human  body  under  natural  circumstances as well, therefore PLLA is generally preferred over PDLA [21]. The body transports the  produced L(+) lactic acid to the liver, converts it into pyruvic acid and upon entering the tricarboxylic  acid cycle, secreting it as water and carbon dioxide [10].  

Despite  the  FDA‐approval  of  PLLA  and  the  large  number  of  clinical  applications,  a  number  of  literature  studies  report  inflammatory  responses  [23,  24].  During  degradation,  the  produced  lactic  acid can lower the pH in the environment adjacent to the polymer. This local acidity can aversively  affect  cellular  function  [25]  and  induce  inflammatory  response  [26].  Additionally,  highly  crystalline  parts  might  stay  behind  which  can  cause  an  inflammatory  response  of  the  surrounding  tissue.  However,  it  was  also  noted  that  in  case  of  relatively  small  material  volume,  no  adverse  biological 

(24)

responses occur. In addition, other literature reports that PLA does not leave significant amounts of  accumulating degradation products behind in the body.  

The  degradation  of  PLLA  in  vitro  occurs  in  the  order  of  years,  whereas  in  vivo  degradation  takes  approximately 8‐10 months; degradation of PDLLA is in the order of months [1, 27]. The degradation  rate of PLA scaffolds highly depends on amongst others molecular weight and polydispersity of the  polymer, process parameters and scaffold design [1]. 

PLLA exhibit superior mechanical strength compared to PDLLA due to its semi‐crystalline nature (10‐ 40  %  crystallinity)  and  higher  Tg  of  around  65  °C  versus  around  54  °C  for  PDLLA  [28].  Therefore, 

mostly PLLA is selected over PDLLA as scaffold material, as is also the case for the vast majority of the  work presented in this thesis. 

 

2.2.3 Poly(ε‐caprolactone)  

Another  polymer  selected  of  the  polyester  family  is  poly(ε‐caprolactone  (PCL),  a  semi‐crystalline  rubbery polymer with a very low Tg of around ‐60 °C [21]. Generally PCL degrades by bulk hydrolysis 

like  PLA,  although  also  enzymatic  degradation  can  occur  under  certain  conditions.  Degradation  is  significantly  slower  compared  to  PLA  due  to  limited  fluid  inflow  as  result  of  the  close  packed  macromolecules; in vivo degradation time extents to over 2 years [1, 29]. Therewith, PCL is mainly  suitable for long‐term implants. 

 

2.2.4 Poly(tri‐methylene carbonate) 

Poly(tri‐methylene carbonate) (PTMC) is another rubbery material with high elasticity which can be  attractive  in  certain  soft  TE  applications.  Amorphous  PTMC  exhibits  a  Tg  of  around  ‐15  °C.  High 

molecular weight PTMC yields relatively good mechanical properties [30].       Figure 2   Molecular structure of PTMC.    PTMC hardly degrades in aqueous solutions, whereas it degrades in the order of weeks via enzymatic  degradation in vivo. Degradation of PTMC does not lead to local decrease of pH in the surrounding  tissue  of  the  scaffold,  as  in  the  case  of  e.g.  PLA  [31,  32].  Chapter  5  is  dedicated  to  scaffold  design  based on high molecular weight PTMC. 

(25)

Ch ap te 2   2.2.5 Poly(ethylene oxide)/poly(butylene terephtalate) 

This  copolymer  consists  of  hydrophilic  poly(ethylene  oxide)  (PEO)  and  hydrophobic  poly(butylene  terephtalate)  (PBT)  segments.  Variation  in  the  composition  of  the  PEOT/PBT  copolymers  allows  tailoring of the mechanical, biological and physicochemical properties of the material [33]. Herewith  allows PEOT/PBT application in a range of TE constructs, of both soft as well as hard TE origin [34].  PEOT/PBT is well studied as bone filler material, due to the bone‐bonding character of the copolymer  (especially with a high PEO content) [35‐37]. Degradation occurs upon hydrolysis and oxidation and is  in the order of months, depending on its composition [33, 35, 36].     2.2.6 Poly(dimethyl siloxane)  Poly(dimethyl siloxane) (PDMS) is extensively used in microfluidics and “lab on a chip” applications as  it  is easy  processable,  cheap  and  transparent  offering  the  opportunity  of  easy  imaging.  In  the  past  10–15 years, there has been an increased interest in the use of microfluidics in TE. The lab on a chip  approach  allows  scientists  to  control  the  accuracy  of  tests,  perform  high  throughput  screening  of  biomaterials regarding cell response or biological reactions in general [38‐42]. As these fields more  and more expand to biomedical applications, often PDMS is selected within specific studies related  to these disciplines [43]. Beneficial is the high gas permeability of PDMS which can be exploited for  O2  supply  and  CO2  removal  during  cell  culture.  However,  thin  PDMS  sheets  have  relatively  poor 

mechanical  strength  and  often  needs  to  be  coated  with  e.g.  fibronectin  to  allow  good  cell  attachment.  

(26)

2.3 Fabrication methods 

A great variety of well‐known fabrication techniques are used in scaffold design for TE applications.  This  section  briefly  describes  frequently  applied  techniques,  with  in  the  end  special  attention  to  polymer casting and phase separation as these are the main fabrication methods used in this thesis.   

2.3.1 Emulsion freeze‐drying 

In  emulsion  freeze‐drying,  homogenization  of  a  polymer–solvent  system  and  water  leads  to  formation  of  an  emulsion  [44,  45].  An  emulsion  exists  of  two  phases,  a  continuous  phase  and  a  dispersed  phase  within;  here,  the  continuous  phase  consists  of  the  polymer‐rich  phase,  whereas  water is the dispersed phase. The emulsion is cooled down quickly to freeze the solvent and water,  resulting in solidification of the polymer directly from the liquid state and the creation of a porous  polymer  structure.  Subsequently,  the  frozen  solvent  and  water  are  removed  by  freeze‐drying.  Emulsion  freeze‐drying  is  attractive  for  creation  of  relatively  thick  scaffolds  with  large  pores.  Additionally, incorporation of proteins is enabled during the fabrication of the scaffold. The obtained  morphology is mainly non‐percolated (solid‐wall like pores), which is the major drawback of freeze‐ drying as this often limits cell in‐growth and nutrient transport through the scaffold. 

 

2.3.2 Foaming 

In  general,  foaming  uses  a  soluble  inert  gas,  e.g.  CO2  or  N2,  in  the  supercritical  region  as  blowing 

agent  to  create  porosity  in  polymers  via  pressure  quenching  [46‐48].  Variation  of  the  process  conditions  enables  tuning  of  the  scaffold  properties  [49].  Instead  of  using  a  single  polymer,  this  method  is  also  applicable  for  composites  of  polymer  and  (bio)ceramic  to  employ  in  hard  TE  constructs [50]. Beneficial is the lack of solvent, eliminating the risk of remaining residues, and the  low processing temperatures preventing degradation of the polymer during processing. The scaffolds  often have a closed surface (skin) and mainly non‐percolated pores which can be a serious drawback  of the method as these characteristics limit nutrient transport through the scaffold. Nonetheless, it is  possible  to  obtain  open  porous  morphologies  in  particular cases  [51‐53];  however,  the  pore  size  is  often too small for TE applications. Through additional post‐processing steps, interconnected pores  can be introduced by, for example, plasma treatment or pulsed ultrasound to break the walls of the  non‐percolated pores [48]. 

(27)

Ch ap te 2   2.3.3 Particle leaching 

Particle  (or  particulate,  salt,  porogen)  leaching  combines  with  various  different  techniques  such  as  solvent casting [54, 55], compression‐molding [56] or foaming [46, 50]. Particle leaching incorporates  particles,  e.g.  salt,  sugar  or  specifically  prepared  spheres,  dissolved  in  a  polymer  sample  and  subsequently  washed  out  after  processing  the  polymer  sample  into  the  final  form  creating  (additional)  porosity  in  the  scaffold.  The  biggest  advantage  of  particle  leaching  is  the  creation  of  scaffolds  with  big  pores,  well‐controlled  high  interconnected  porosity  and  pore  morphology.  However,  the  method  is  not  applicable  for  all  materials  such  as  soluble  protein  scaffolds  and  additionally,  it  may  be  a  time‐consuming  post‐processing  method  with  the  risks  of  remaining  residues after processing. 

 

2.3.4 Electrospinning 

Electrospinning (ESP) is based upon charging of a polymer solution and subsequent ejection through  a capillary tip or needle [57, 58]. The jet coming from the needle draws towards a collector due to an  electric  field  ranging  from  10  to  30  kV.  Evaporation  of  the  solvent  from  the  jet  after  leaving  the  needle results in fiber deposition on the collector. To obtain continuous fibers, the method requires  using  solutions  containing  relatively  high  polymer  concentrations  of  usually  around  10‐15  wt%.  Rotating  the  collector  creates  a  non‐woven  mesh  with  a  preferential  orientation  of  the  fiber.  The  diameter of the fibers is within the range of nanometers to microns. Varying the process parameters,  e.g. strength of the electric field, distance between needle–collector, polymer concentration, allows  tuning of the fiber diameter [36, 59]. Figure 3 presents an example of an electrospun scaffold from  PEOT/PBT (reprinted from [36]) with permission from Elsevier). A major advantage of electrospinning  is  the  high  flexibility  and  fiber  resolution  of  the  obtained  scaffold.  Additionally,  alignment  of  the  electrospun fibers is enabled to induce cell and tissue alignment [60]. A drawback of electrospinning  is the risk of breaking fibers during fabrication, which might lead to inferior quality of the scaffold.   

(28)

  Figure 3  Typical SEM image of a PEOT/PBT 300/55/45 electrospun scaffold (printed from [36] with  permission from Elsevier).    2.3.5 Sintering  Sintering refers heat‐treatment of a powder to make the particles adhere to each other. Application  of  scaffolds  fabricated  by  sintering  is  mainly  in  hard  TE  constructs.  Traditionally,  sintering  uses  ceramic powders; however, this method is also applicable for other materials such as metals, glasses  and certain polymers as well as composites. In the latter, the heat‐treatment pyrolizes the polymer  and the ceramic particles adhere taking over the porous design of the polymer sheet [20, 61]. The  possibility of creating controlled and graded porosity is the main advantage of sintering. Detrimental  is the possible risk of low interconnectivity of the pores and the brittleness of the fabricated scaffold  in case of using certain materials.    2.3.6 Polymer casting and phase separation 

Several  fabrication  methods  based  on  polymer  casting,  with  or  without  subsequent  phase  separation, are frequently applied to produce TE scaffolds. Methods often used for phase separation  are  e.g.  liquid  induced  phase  separation  (LIPS,  immersion  precipitation)  [62‐64]  and    thermally  induced  phase  separation  (TIPS)  [65‐68].  Without  phase  separation,  polymer  solidification  is  generally achieved by solvent evaporation [69‐72]. These methods allow processing of pure polymers  as  well  as  composites  of  polymer–(bio)ceramic  for  application  in  hard  TE    [73].  In  this  thesis,  generally  polymer  casting  is  performed  on  a  micropatterned  mold.  In  this  case,  due  to  the  solidification of the polymer on the mold, the inverse micropattern is imprinted in the polymer sheet.  When combined with LIPS, this technique is called phase separation micro‐molding (PSµM) [17, 74‐ 76].  The  advantage  of  PSµM  is  the  combination  of  micropatterning  with  porosity  both  in  one  fabrication  step.  Variation  of  the  mold  design  enables  variation  in  the  obtained  micropattern 

(29)

Ch ap te 2   whereas tuning of the process parameters allows tailoring of the sheet porosity. Figure 4 presents an  example  of  a  PLLA  sheet  fabricated  by  PSµM.  Chapter  3  describes  extensively  the  application  of  PSµM for scaffold fabrication.  

The  advantage  of polymer  casting  is  the possibility to create  a wide  range of  porosities, pore  sizes  and morphologies. The major drawback of these techniques, however, is the use of organic solvents,  which  may  leave  residues  after  processing  and  therefore  possibly  harm  the  cells.  Therefore,  effectively washing the scaffolds prior to their contact with cells is essential.       Figure 4  Typical SEM cross‐section image of a PLLA sheet prepared by PSµM. The sheet is prepared  of a 5 wt% PLLA‐dioxane solution using isopropanol at 4 °C as the non‐solvent. The sheet  was prepared on a mold featuring 30 µm wide continuous channels. The bar in the image  represents 10 µm.   

(30)

2.4 Scaffold design  

The design of a scaffold ultimately determines the functionality of the grown tissue. Scaffold design  comprehends the material and method used, and additionally the appearance of the construct, i.e.  shape, size and surface topography. Applying surface topography in the form of a micropattern can  control the behavior of attached cells; tailoring the architectural design of the micropattern can tune  the impact on tissue organization [77, 78]. Mimicking the in vivo micro‐architecture around cells can  improve the functionality of the growing tissue [79]. Figure 5 shows an example of cultured C2C12  mouse  pre‐myoblast  cells  on  a  micropatterned  PLLA  sheet  as  presented  in  Figure  4.  The  arrow  indicates the channel direction; clearly the cells align well within the micropatterned channels.    

 

Figure 5  Confocal fluorescence microscopy image of 4 day C2C12 cell cultures on porous PLLA sheets  featuring  30  µm  wide  channels  (cell  density  25  000  cells/cm2).  Magnification  63x,  cytoskeleton  labeled  with  Bodipy  phallacidin  (green)  and  nucleus  labeled  with  Hoechst  (blue). The direction of the channel is indicated by the arrow. 

   

Certain  fabrication  methods  allow  fixation  of  the  final  scaffold  shape  and  size  during  processing.  Others methods need post‐processing steps to obtain the scaffold structure. One way is a multi‐layer  based design that obtains final 3D shape and size via lamination of stacked 2D layers [80, 81]. First 2D  sheets are fabricated using one of the methods described previously. Subsequently, these sheets are  stacked  together  and  laminated  using  heat  or  chemical  adhesion  products,  e.g.  solvent  of  the  material (see Chapter 3, [17]). Benefit of a multi‐layer approach is that it allows the introduction of  surface topography throughout the 3D‐scaffold. 

(31)

Ch ap te 2  

References 

1.  Hutmacher  DW.  Scaffolds  in  tissue  engineering  bone  and  cartilage.  Biomaterials  2000;21(24):2529‐2543. 

2.  Kretlow  JD,  Mikos  AG.  From  material  to  tissue:  Biomaterial  development,  scaffold  fabrication, and tissue engineering. AIChE Journal 2008;54(12):3048‐3067. 

3.  Liu  C,  Xia  Z,  Czernuszka  JT.  Design  and  Development  of  Three‐Dimensional  Scaffolds  for  Tissue Engineering. Chemical Engineering Research and Design 2007;85(7):1051‐1064. 

4.  Moroni L, De Wijn JR, Van Blitterswijk CA. Integrating novel technologies to fabricate smart  scaffolds. Journal of Biomaterials Science‐Polymer Edition 2008;19(5):543‐572. 

5.  Babensee  JE,  Anderson  JM,  McIntire  LV,  Mikos  AG.  Host  response  to  tissue  engineered  devices. Advanced Drug Delivery Reviews 1998 Aug;33(1‐2):111‐139. 

6.  Williams DF. On the mechanisms of biocompatibility. Biomaterials 2008;29(20):2941‐2953.  7.  Hutmacher DW. Scaffold design and fabrication technologies for engineering tissues state of  the art and future perspectives. Journal of Biomaterials Science, Polymer Edition 2001;12:107‐124.  8.  Ito  Y,  Zheng  J,  Imanishi  Y.  Enhancement  of  cell  growth  on  a  porous  membrane  co‐ immobilized with cell‐growth and cell adhesion factors. Biomaterials 1997 Feb;18(3):197‐202.  9.  Mitragotri  S,  Lahann  J.  Physical  approaches  to  biomaterial  design.  Nat  Mater 2009;8(1):15‐ 23. 

10.  Agrawal  CM,  Ray  RB.  Biodegradable  polymeric  scaffolds  for  musculoskeletal  tissue  engineering. Journal of Biomedical Materials Research 2001;55(2):141‐150. 

11.  Karageorgiou  V,  Kaplan  D.  Porosity  of  3D  biomaterial  scaffolds  and  osteogenesis.  Biomaterials 2005;26:5474‐5491. 

12.  Karande  TS,  Ong  JL,  Agrawal  CM.  Diffusion  in  musculoskeletal  tissue  engineering  scaffolds:  Design  issues  related  to  porosity,  permeability,  architecture,  and  nutrient  mixing.  Annals  of  Biomedical Engineering 2004 Dec;32(12):1728‐1743. 

13.  Kannan RY, Salacinski HJ, Sales K, Butler P, Seifalian AM. The roles of tissue engineering and  vascularisation  in  the  development  of  micro‐vascular  networks:  a  review.  Biomaterials  2005;26(14):1857‐1875. 

14.  Dunn GA, Heath JP. A new hypothesis of contact guidance in tissue cells. Experimental Cell  Research 1976;101(1):1‐14. 

15.  Falconnet  D,  Csucs  G,  Michelle  Grandin  H,  Textor  M.  Surface  engineering  approaches  to  micropattern surfaces for cell‐based assays. Biomaterials 2006;27(16):3044‐3063. 

16.  Flemming  RG,  Murphy  CJ,  Abrams  GA,  Goodman  SL,  Nealey  PF.  Effects  of  synthetic  micro‐  and nano‐structured surfaces on cell behavior. Biomaterials 1999;20(6):573‐588. 

17.  Papenburg  BJ,  Vogelaar  L,  Bolhuis‐Versteeg  LAM,  Lammertink  RGH,  Stamatialis  D,  Wessling  M.  One‐step  fabrication  of  porous  micropatterned  scaffolds  to  control  cell  behavior.  Biomaterials  2007;28(11):1998‐2009. 

18.  Gunatillake  PA,  Adhikari  R.  Biodegradable  Synthetic  Polymers  for  Tissue  Engineering.  European Cells and Materials 2003;5:1‐16. 

19.  Ramakrishna  S,  Mayer  J,  Wintermantel  E,  Leong  KW.  Biomedical  applications  of  polymer‐ composite materials: a review. Composites Science and Technology 2001 Jul;61(9):1189‐1224. 

(32)

20.  Rezwan  K,  Chen  QZ,  Blaker  JJ,  Boccaccini  AR.  Biodegradable  and  bioactive  porous  polymer/inorganic composite scaffolds for bone tissue engineering. Biomaterials 2006;27(18):3413‐ 3431.  21.  Engelberg I, Kohn J. Physico‐mechanical properties of degradable polymers used in medical  applications: A comparative study. Biomaterials 1991;12(3):292‐304.  22.  Gupta AP, Kumar V. New emerging trends in synthetic biodegradable polymers ‐ Polylactide:  A critique. European Polymer Journal 2007;43(10):4053‐4074. 

23.  Athanasiou  KA,  Niederauer  GG,  Agrawal  CM.  Sterilization,  toxicity,  biocompatibility  and  clinical applications of polylactic acid/ polyglycolic acid copolymers. Biomaterials 1996;17(2):93‐102.  24.  Vert M, Christel P, Chabot F, Leray J. Macromolecular Biomaterials. 1st ed. New York: CRC /  Press Inc., 1984.  25.  Sachlos E, Czernuszka JT. Making Tissue Engineering Scaffolds Work. Review: The application  of solid freeform fabrication technology to the production of tissue engineering scaffolds European  Cells & Materials Journal 2003;5:29‐40. 

26.  Karp  JM,  Shoichet  MS,  Davies  JE.  Bone  formation  on  two‐dimensional  poly(DL‐lactide‐co‐ glycolide)  (PLGA)  films  and  three‐dimensional  PLGA  tissue  engineering  scaffolds  in  vitro.  Journal  of  Biomedical Materials Research Part A 2003;64A(2):388‐396. 

27.  Laaksovirta  S.  Biodegradable,  Self‐Reinforced,  Self‐Expandable  Lactic  and  Glycolic  Acid  (SR‐ PLGA80/20)  Copolymer  Spiral  Prostatic  Stent:  Analysis  of  mechanical  and  biological  properties  and  clinical results. Tampere: Tampere University; 2003. 

28.  Joziasse CAP, Veenstra H, Grijpma DW, Pennings AJ. On the chain stiffness of poly(lactide)s.  Macromolecular Chemistry and Physics 1996 Jul;197(7):2219‐2229. 

29.  Coombes  AGA,  Rizzi  SC,  Williamson  M,  Barralet  JE,  Downes  S,  Wallace  WA.  Precipitation  casting  of  polycaprolactone  for  applications  in  tissue  engineering  and  drug  delivery.  Biomaterials  2004;25(2):315‐325. 

30.  Pego  AP,  Poot  AA,  Grijpma  DW,  Feijen  J.  Physical  properties  of  high  molecular  weight  1,3‐ trimethylene carbonate and D,L‐lactide copolymers. J Mater Sci‐Mater Med 2003 Sep;14(9):767‐773.  31.  Zhang  Z,  Kuijer  R,  Bulstra  SK,  Grijpma  DW,  Feijen  J.  The  in  vivo  and  in  vitro  degradation  behavior of poly(trimethylene carbonate). Biomaterials 2006;27(9):1741‐1748. 

32.  Zhu KJ, Hendren RW, Jensen K, Pitt CG. Synthesis, properties, and biodegradation of poly(1,3‐ trimethylene carbonate). Macromolecules 1991;24(8):1736‐1740. 

33.  Deschamps  AA,  Claase  MB,  Sleijster  WJ,  de  Bruijn  JD,  Grijpma  DW,  Feijen  J.  Design  of  segmented poly(ether ester) materials and structures for the tissue engineering of bone. Journal of  Controlled Release 2002;78(1‐3):175‐186. 

34.  Claase  MB.  Cell‐seeded  scaffolds  based  on  poly(ethylene  oxide)  and  poly(butylene  terephthalate) block copolymers for bone tissue engineering. Enschede: University of Twente; 2004.  35.  Moroni L, de Wijn JR, van Blitterswijk CA. 3D fiber‐deposited scaffolds for tissue engineering:  Influence  of  pores  geometry  and  architecture  on  dynamic  mechanical  properties.  Biomaterials  2006;27(7):974‐985. 

36.  Moroni L, Licht  R, de  Boer  J,  de  Wijn  JR,  van Blitterswijk CA.  Fiber  diameter and  texture of  electrospun  PEOT/PBT  scaffolds  influence  human  mesenchymal  stem  cell  proliferation  and  morphology, and the release of incorporated compounds. Biomaterials 2006;27(28):4911‐4922.  37.  Papadaki  M,  Mahmood  T,  Gupta  P,  Claase  MB,  Grijpma  DW,  Riesle  J,  et  al.  The  different  behaviors of skeletal muscle cells and chondrocytes on PEGT/PBT block copolymers are related to the 

(33)

Ch ap te 2   surface properties of the substrate. journal of Biomedical Materials Research Part A 2001;54(1):47‐ 58. 

38.  Anderson DG, Putnam D,  Lavik  EB, Mahmood  TA, Langer  R.  Biomaterial  microarrays:  rapid,  microscale screening of polymer‐cell interaction. Biomaterials 2005 Aug;26(23):4892‐4897. 

39.  Andersson H, Berg Avd. Microfabrication and microfluidics for tissue engineering: state of the  art and future opportunities. Lab on a Chip 2004;4:98‐103. 

40.  Andersson  H,  van  den  Berg  A.  Microfluidic  devices  for  cellomics:  a  review.  Sensors  and  Actuators B‐Chemical 2003 Jul 15;92(3):315‐325. 

41.  Andersson  H,  van  den  Berg  A.  Microtechnologies  and  nanotechnologies  for  single‐cell  analysis. Current Opinion in Biotechnology 2004 Feb;15(1):44‐49.  42.  El‐Ali J, Sorger PK, Jensen KF. Cells on chips. Nature 2006 Jul 27;442(7101):403‐411.  43.  Mata A, Fleischman A, Roy S. Characterization of Polydimethylsiloxane (PDMS) Properties for  Biomedical Micro/Nanosystems. Biomedical Microdevices 2005;7(4):281‐293.  44.  Ho M‐H, Kuo P‐Y, Hsieh H‐J, Hsien T‐Y, Hou L‐T, Lai J‐Y, et al. Preparation of porous scaffolds  by using freeze‐extraction and freeze‐gelation methods. Biomaterials 2004;25(1):129‐138. 

45.  Whang  K,  Thomas  CH,  Healy  KE,  Nuber  G.  A  novel  method  to  fabricate  bioabsorbable  scaffolds. Polymer 1995;36(4):837‐842. 

46.  Harris LD, Kim B‐S, Mooney DJ. Open pore biodegradable matrices formed with gas foaming.  Journal of Biomedical Materials Research 1998;42(3):396‐402. 

47.  Singh  L,  Kumar  V,  Ratner  BD.  Generation  of  porous  microcellular  85/15  poly  (dl‐lactide‐co‐ glycolide) foams for biomedical applications. Biomaterials 2004;25(13):2611‐2617. 

48.  Wang X, Li W, Kumar V. A method for solvent‐free fabrication of porous polymer using solid‐ state  foaming  and  ultrasound  for  tissue  engineering  applications.  Biomaterials  2006;27(9):1924‐ 1929. 

49.  Lips  PAM,  Velthoen  IW,  Dijkstra  PJ,  Wessling  M,  Feijen  J.  Gas  foaming  of  segmented  poly(ester amide) films. Polymer 2005 Oct 24;46(22):9396‐9403. 

50.  Kim S‐S, Sun Park M, Jeon O, Yong Choi C, Kim B‐S. Poly(lactide‐co‐glycolide)/hydroxyapatite  composite scaffolds for bone tissue engineering. Biomaterials 2006;27(8):1399‐1409. 

51.  Krause B, Diekmann K, van der Vegt NFA, Wessling M. Open nanoporous morphologies from  polymeric blends by carbon dioxide foaming. Macromolecules 2002 Feb 26;35(5):1738‐1745.  52.  Krause  B,  Koops  GH,  van  der  Vegt  NFA,  Wessling  M,  Wubbenhorst  M,  van  Turnhout  J.  Ultralow‐k dielectrics made by supercritical foaming of thin polymer films. Advanced Materials 2002  Aug 5;14(15):1041‐+. 

53.  Krause B, Sijbesma HJP, Munuklu P, van der Vegt NFA, Wessling M. Bicontinuous nanoporous  polymers by carbon dioxide foaming. Macromolecules 2001 Dec 4;34(25):8792‐8801. 

54.  Ma  PX,  Choi  J‐W.  Biodegradable  Polymer  Scaffolds  with  Well‐Defined  Interconnected  Spherical Pore Network. Tissue Engineering 2001;7(1):23‐33. 

55.  RoyChowdhury  P,  Kumar  V.  Fabrication  and  evaluation  of  porous  2,3‐dialdehydecellulose  membrane as a potential biodegradable tissue‐engineering scaffold. Journal of Biomedical Materials  Research Part A 2006;76A(2):300‐309. 

56.  Katoh  K,  Tanabe  T,  Yamauchi  K.  Novel  approach  to  fabricate  keratin  sponge  scaffolds  with  controlled pore size and porosity. Biomaterials 2004;25(18):4255‐4262. 

(34)

57.  Bhattarai  SR,  Bhattarai  N,  Viswanathamurthi  P,  Yi  HK,  Hwang  PH,  Kim  HY.  Hydrophilic  nanofibrous  structure  of  polylactide;  fabrication  and  cell  affinity.  Journal  of  Biomedical  Materials  Research Part A 2006;78A(2):247‐257. 

58.  Riboldi SA, Sampaolesi M, Neuenschwander P, Cossu G, Mantero S. Electrospun degradable  polyesterurethane  membranes:  potential  scaffolds  for  skeletal  muscle  tissue  engineering.  Biomaterials 2005;26(22):4606‐4615. 

59.  Boudriot U, Dersch R, Greiner A, Wendorff JH. Electrospinning Approaches Toward Scaffold  Engineering ‐ A Brief Overview. Artificial Organs 2006;30(10):785‐792. 

60.  Buttafoco  L,  Engbers‐Buijtenhuijs  P,  Poot  AA,  Dijkstra  PJ,  Vermes  I,  Feijen  J.  Physical  characterization of vascular grafts cultured in a bioreactor. Biomaterials 2006 Apr;27(11):2380‐2389.  61.  Deisinger U, Stenzel F, Ziegler G. Development of hydroxyapatite ceramics with tailored pore  structure. Bioceramics 2004;254‐2(16):977‐980. 

62.  Kim  SY,  Kanamori  T,  Noumi  Y,  Wang  O‐C,  Shinbo  T.  Preparation  of  porous  poly(d,l‐lactide)  and poly(d,l‐lactide‐co‐glycolide) membranes by a phase inversion process and investigation of their  morphological  changes  as  cell  culture  scaffolds.  Journal  of  Applied  Polymer  Science  2004;92:2082‐ 2092. 

63.  Liu  H‐C,  Lee  IC,  Wang  J‐H,  Yang  S‐H,  Young  T‐H.  Preparation  of  PLLA  membranes  with  different morphologies for culture of MG‐63 Cells. Biomaterials 2004;25(18):4047‐4056. 

64.  Zoppi  RA,  Contant  S,  Duek  EAR,  Marques  FR,  Wada  MLF,  Nunes  SP.  Porous  poly(L‐lactide)  films  obtained  by  immersion  precipitation  process:  morphology,  phase  separation  and  culture  of  VERO cells. Polymer 1999 Jun;40(12):3275‐3289. 

65.  Guan  J,  Fujimoto  KL,  Sacks  MS,  Wagner  WR.  Preparation  and  characterization  of  highly  porous,  biodegradable  polyurethane  scaffolds  for  soft  tissue  applications.  Biomaterials  2005;26(18):3961‐3971. 

66.  Hua FJ, Kim GE, Lee JD, Son YK, Lee DS. Macroporous poly(L‐lactide) scaffold 1. Preparation of  a macroporous scaffold by liquid‐liquid phase separation of a PLLA‐dioxane‐water system. Journal of  Biomedical Materials Research 2002;63(2):161‐167. 

67.  Li  S,  Carrubba  VL,  Piccarolo  S,  Sannino  D,  Brucato  V.  Preparation  and  properties  of  poly(L‐ lactic acid) scaffolds by thermally induced phase separation from a ternary polymer‐solvent system.  Polymer International 2004;53(12):2079‐2085. 

68.  Nam YS, Park TG. Porous biodegradable polymeric scaffolds prepared by thermally induced  phase separation. Journal of Biomedical Materials Research 1999;47(1):8‐17. 

69.  Htay  AS,  Teoh  SH,  Hutmacher  DW.  Development  of  perforated  microthin  poly(epsilon‐ caprolactone)  films  as  matrices  for  membrane  tissue  engineering.  Journal  of  Biomaterials  Science‐ Polymer Edition 2004;15(5):683‐700. 

70.  Park  YJ,  Nam  KH,  Ha  SJ,  Pai  CM,  Chung  CP,  Lee  SJ.  Porous  poly(L‐lactide)  membranes  for  guided tissue regeneration and controlled drug delivery: Membrane fabrication and characterization.  Journal of Controlled Release 1997 Jan 18;43(2‐3):151‐160. 

71.  Tanaka M, Takebayashi M, Miyama M, Nishida J, Shimomura M. Design of novel biointerfaces  (II).  Fabrication  of  self‐organized  porous  polymer  film  with  highly  uniform  pores.  Bio‐Medical  Materials And Engineering 2004;14(4):439‐446. 

72.  Vaquette  C,  Fawzi‐Grancher  S,  Lavalle  P,  Frochot  C,  Viriot  ML,  Muller  S,  et  al.  In  vitro  biocompatibility  of  different  polyester  membranes.  Bio‐Medical  Materials  And  Engineering  2006;16(4):S131‐S136. 

Referenties

GERELATEERDE DOCUMENTEN

Maar op kruispunten doen zich, op gedetailleerder niveau, ook nog andere typen overgangen voor die mogelijk relevant zijn voor de verkeersveiligheid: overgangen die voor

1391103 High-frequency discharge tubes EUROPEAN ATOMIC ENERGY COM- MUNITY 24 July 1972 [23 July 1971] 34566/72 Heading H1D A device for producing and enclosing a hot plasma comprises

Een tweede aanduiding van eventuele bewoningssporen werd vastgesteld in K72 / 42, in de vorm van een vertikale en horizontale vergraving van het tertiair,

of three di fferent TMD surfaces (Figure S2); height of the depression for dark defects (Figure S3); types of dark defects (Figure S4); STS of the bright defect, dark defect,

”Exact Plant Inversion of Flexible Motion Systems with a Time- Varying State-To-Output Map”, European Control Conference, pp. ”Composite jerk feedforward and disturbance observer

Tuan Center for Cellular and Molecular Engineering, Department of Orthopaedic Surgery, University of Pittsburgh School of Medicine, Pittsburgh, PA 15219, United States William

Therefore, we sought to develop a model incorporating clinical risk factors for predicting 5-year recurrent ischemic stroke in patients with ischemic stroke and to determine

The analysis of educational data can result in an understanding of what learners are doing (which is what EDM predominantly aims at), changing the behaviour of the learner (through